CN104868742B - 一种实现全桥隔离dc‑dc变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现全桥隔离DC‑DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，通过获得相移控制量D₁和D₂的关系以及根据线性端点拟合获得相移控制量D₁和D₂随虚拟功率给定P^*的变化关系，再由调制模块得到开关控制信号，实现全桥隔离DC‑DC变换器的控制，通过虚拟功率控制方法减小了最小电流应力控制算法的运算复杂程度、取消负载电流传感器以及实现控制算法无需依赖电感参数。

Description

一种实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力 的虚拟功率控制方法

技术领域

本发明涉及全桥隔离DC-DC变换器(包含半桥三电平，全桥隔离DC-DC变换器)的控制系统设计与制造领域。

背景技术

全桥隔离DC-DC变换器因其具有电气隔离、功率密度高、能量能双向流动以及模块级联容易等优点，随着新能源变流技术的迅速发展已实现了广泛的应用。在光伏发电、风能发电等分布式发电系统中，全桥隔离DC-DC变换器可以用于解决能量储存以及功率流平衡等问题。近年来，随着经济的发展以及环境问题凸显，全桥隔离DC-DC变换器也成为了电动汽车中常用的变换器拓扑。

在全桥隔离DC-DC变换器应用中，相移控制成为了典型应用的控制方法，传统相移控制能完成功率的双向流动，且控制算法简单。但采用传统相移控制，变换器在宽范围输入电压的情况下，会出现电流与开关应力过大、系统效率过低等问题。为了减小全桥隔离DC-DC变换器电流应力，国内外学者提出了多种最小电流应力优化控制算法。然而，这些最小电流应力优化控制算法均需要较为复杂的运算，且与传统相移控制相比，需要增加负载电流传感器以及存在对电感参数的依赖。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，使其具有运算量简单、无负载电流传感器、不依赖电感参数的优点。该虚拟功率控制方法可以有效地减小变换器控制系统软硬件设计成本。

本发明实现其发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，采集输入电压和输出电压，通过虚拟功率控制方法得到相移控制量的大小，生成开关控制信号，完成全桥隔离DC-DC变换器的控制；控制系统可以包含理论优化计算模块01，数据采集模块02、电压外环PI模块03、控制量计算模块04以及调制模块05五个部分，控制过程包含以下步骤：

1)在输出功率为P_o的情况下，为了求解电流应力i_p的最小值，由理论优化计算模块01采用拉格朗日条件极值法得D₁和D₂的关系式：

其中：D₁，D₂为全桥隔离DC-DC变换器控制相移控制量，α₁，α₂分别为电流应力i_p中D₁，D₂的系数；β₁～β₅为输出功率P_o中相移控制量各分量的系数；

2)通过数据采集模块02获得输入电压U_in和输出电压U_o，输出电压U_o为外环电压PI控制器的输入，其PI控制器的输出为虚拟功率给定量P^*，进而根据线性端点拟合方法，通过控制量计算模块04按下式计算，得到相移控制量D₁和D₂，

其中：a为相移控制量D₁表达式中虚拟功率给定量P^*的系数；b为常系数；

3)、根据求解得相移控制量D₁和D₂，通过调制模块05获得开关控制信号，从而完成全桥隔离DC-DC变换器的控制。

实际上，在步骤1)中全桥隔离DC-DC变换器电流应力i_p和输出功率P_o可简化为式(1)

其中：D₁，D₂为全桥隔离DC-DC变换器控制相移控制量，α₁，α₂分别为电流应力i_p中D₁，D₂的系数，α₃为常数；β₁～β₅为输出功率P_o中相移控制量各分量的系数；U_in为输入电压，L为电感值，T_s为开关周期，n为变压器变比。

在输出功率为P_o的情况下，为了求解电流应力i_p的最小值，可通过优化计算模块01，采用拉格朗日条件极值法可得D₁和D₂的关系为式(2)，其关系式中不含电感值L以及开关周期T_s

这样，采集输出电压值U_o以及输入电压值U_in。一方面使用输出电压值U_o以及输入电压值U_in计算电压变比k，并计算虚拟功率值的边界值，另一方面通过PI控制器得到虚拟功率给定值P*。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、不需要大量复杂的运算，有效地降低了控制系统的运算成本。

二、不需要负载电流传感器，有效地降低了全桥隔离DC-DC变换器硬件设计成本。

三、实现无电感参数依赖性，提高了控制系统的稳定性。

四、具有较高的通用性，同样适合全桥隔离DC-DC变换器的其他最优控制策略，例如最小回流功率控制、最小输出电压纹波等。

附图说明

图1实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法的系统框图

图2全桥隔离DC-DC变换器最小电流应力理论优化控制计算框图

图3全桥隔离DC-DC变换器控制计算模块框图。

图4相移控制量D₁和D₂随虚拟功率P^*的变化关系

图5双重相移控制方法波形示意图

图6当k＝0.25时，传统相移控制方法(左)与基于虚拟功率方法的最小电流应力控制(右)的电流应力对比示意图

图7当k＝0.75时，传统相移控制方法(左)与基于虚拟功率方法的最小电流应力控制(右)的电流应力对比示意图

具体实施方式

图1示出实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法控制系统框图。整个系统可以分为理论优化计算模块01，数据采集模块02、电压外环PI模块03、控制量计算模块04以及调制模块05五个部分。其中主要部分的具体内容为：

(1)理论优化计算模块

为获得最小电流应力控制进行理论计算，获得相移控制量D₁和D₂的关系以及虚拟功率的分段情况，进一步获得相移控制量D₁和D₂在各个解集区间随虚拟功率给定量P*的表达式

(2)控制量计算模块

对输入电压、输出电压以及电压外环PI模块输出的虚拟功率给定值参照理论优化计算的结果进行处理和运算，得到实时的相移控制量。

图2示出，全桥隔离DC-DC变换器最小电流应力理论优化控制计算框图。电流应力i_p可由相移控制量D₁和D₂表示，输出功率P_o相移控制量D₁和D₂以及D₁和D₂的平方表示。对电流应力i_p以及输出功率P_o采用拉格朗日条件极值计算方法，即建立目标函数E为电流应力i_p和λ倍输出功率P_o减去其表达式，通过对E对相移控制量D₁和D₂分别求导并令其导数为0，得到相移控制量D₁和D₂的关系为一次关系，按照图2所示的计算流程即可得到。

图3示出，全桥隔离DC-DC变换器控制计算模块框图。根据得到的相移控制量D₁与D₂的一次关系结合输出电压、输入电压计算的电压、虚拟功率给定值P^*，采用端点拟合的方法，则相移控制量D₁与D₂可表示为虚拟功率给定值P^*的一次关系。按照图3所示的表达式进行计算，即可得到在不同虚拟功率给定值下的相移控制量D₁和D₂，其如图4所示。

在不脱离本发明思想的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，采集输入电压和输出电压，通过虚拟功率控制方法得到相移控制量的大小，生成开关控制信号，完成全桥隔离DC-DC变换器的控制；控制系统可以包含理论优化计算模块(01)，数据采集模块(02)、电压外环PI模块(03)、控制量计算模块(04)以及调制模块(05)五个部分，控制过程包含以下步骤：

1)在输出功率为P_o的情况下，为了求解电流应力i_p的最小值，由理论优化计算模块(01)采用拉格朗日条件极值法得D₁和D₂的关系式：

$D_2=\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2}{D}_1+\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_5-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_4}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2};$

其中：D₁，D₂为全桥隔离DC-DC变换器控制相移控制量，α₁，α₂分别为电流应力i_p中D₁，D₂的系数；β₁～β₅为输出功率P_o中相移控制量各分量的系数；

2)通过数据采集模块(02)获得输入电压U_in和输出电压U_o，输出电压U_o为外环电压PI控制器的输入，其PI控制器的输出为虚拟功率给定量P^*，进而根据线性端点拟合方法，通过控制量计算模块(04)按下式计算，得到相移控制量D₁和D₂，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1=aP*+b\\ D_2=\frac{({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1)a}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2}P*+\frac{({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_1)b}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_5-2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_4}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_3-2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2}\end{array}\right.$

其中：a为相移控制量D₁表达式中虚拟功率给定量P^*的系数；b为常系数；

3)、根据求解得相移控制量D₁和D₂，通过调制模块(05)获得开关控制信号，从而完成全桥隔离DC-DC变换器的控制。

2.根据权利要求1所述实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，其特征在于,控制量计算模块(04)对输入电压、输出电压以及电压外环PI模块输出的虚拟功率给定值参照理论优化计算的结果进行处理和运算，得到实时的相移控制量。

3.根据权利要求1所述实现全桥隔离DC-DC变换器降压变换模式最小电流应力的虚拟功率控制方法，调制模块(05)根据计算得到的相移控制量得到全桥隔离DC-DC变换器的开关器件脉冲控制信号。